DE19852067C2

DE19852067C2 - Fiber reinforced material

Info

Publication number: DE19852067C2
Application number: DE1998152067
Authority: DE
Inventors: Helmut Naegele; Juergen Pfitzer; Peter Scholz; Emilia Inone; Wilhelm Eckl; Peter Eyerer; Norbert Eisenreich; Peter Elsner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2018-11-12
Also published as: DE19852067A1

Abstract

Ein aus wenigstens einem thermoplastischen oder thermoelastischen, synthetischen und/oder natürlichen Polymer sowie natürlichen Verstärkungsfasern bestehender Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß er als natürliche Verstärkungsfasern Hanffasern enthält. Besteht der erfindungsgemäße Werkstoff aus mehreren Polymeren, so kann dieser homogen oder heterogen aufgebaut sein.A material consisting of at least one thermoplastic or thermoelastic, synthetic and / or natural polymer and natural reinforcing fibers is characterized in that it contains hemp fibers as natural reinforcing fibers. If the material according to the invention consists of several polymers, it can be constructed homogeneously or heterogeneously.

Description

Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Werkstoff, bestehend aus wenigstens einem thermoplastischen oder thermoelastischen, synthetischen und/oder natürlichen Polymer sowie natürlichen Verstärkungsfasern.The invention relates to a fiber-reinforced material, consisting of at least one thermoplastic or thermoelastic, synthetic and / or natural Polymer as well as natural reinforcing fibers.

Derartige Werkstoffe sind seit langem bekannt, wobei die Faserverstärkung insbesondere der Erhöhung der mechani schen Festigkeit sowie gegebenenfalls der Verbesserung weiterer Werkstoffeigenschaften, wie der thermischen Beständigkeit dient. Während glasfaserverstärkte Polymer werkstoffe die größte Bedeutung erlangt haben, werden andere, beispielsweise mit Mineral-, Metall- oder Kohle fasern verstärkte Polymerwerkstoffe z. B. für hochfeste und hochtemperaturbeständige Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt oder textilfaserverstärkte Kunststof fe für Spritz- und Preßmassen oder für die Herstellung von Kunststoffen, die hohen Zugspannungen unterliegen, verwendet. Der wesentliche Vorteil faserverstärkter Werkstoffe liegt in ihren hervorragenden mechanischen Ei genschaften, so daß sie zur Substitution von Metallen ver wendet werden können, was mit einer erheblichen Gewichtsre duzierung verbunden ist.Such materials have been known for a long time, the Fiber reinforcement especially the increase in mechani strength and possibly the improvement other material properties, such as thermal Resistance serves. While glass fiber reinforced polymer materials that have gained the greatest importance others, for example with mineral, metal or coal fibers reinforced polymer materials such. B. for high-strength and high temperature resistant composite materials in the Aerospace or textile fiber reinforced plastic fe for injection molding and molding compounds or for production of plastics that are subject to high tensile stresses, used. The main advantage of fiber reinforced Materials lie in their excellent mechanical egg properties so that they ver for the substitution of metals can be applied, with a significant weight re reduction is connected.

Da die Herstellung synthetischer Fasern einen hohen Ener gieaufwand erfordert und somit teuer ist und viele synthe tische Fasern, insbesondere Glas- oder Asbestfasern, auf grund ihrer Lungengängigkeit ein gesundheitliches Gefähr dungspotential darstellen, wird seit einiger Zeit versucht, diese durch natürliche Fasern auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu ersetzen. Mit Naturfasern, wie Flachs-, Si sal-, Miscanthus-, Cellulose- oder Holzfasern verstärkte synthetische oder natürliche Kunststoffe weisen jedoch im Vergleich zu beispielsweise glasfaserverstärkten Kunststof fen eine deutlich geringere Festigkeit auf.Because the manufacture of synthetic fibers has a high energy Gi effort required and therefore expensive and many synthe table fibers, especially glass or asbestos fibers a health hazard due to their lung mobility have been trying for some time, this through natural fibers based on renewable To replace raw materials. With natural fibers such as flax, Si sal, miscanthus, cellulose or wood fibers reinforced synthetic or natural plastics, however, have Comparison to, for example, glass fiber reinforced plastic have a significantly lower strength.

Es ist ein mit Baumwollfasern verstärkter Verbundwerkstoff aus Lignin bekannt (DE 197 00 906 A1), wobei zwar auf eine innige Verbindung zwischen der Beschichtung und der Faser hingewiesen wird, jedoch keine Aussagen zur Festigkeit ei nes derartigen Werkstoffverbundes gemacht sind.It is a composite material reinforced with cotton fibers known from lignin (DE 197 00 906 A1), although on a intimate connection between the coating and the fiber is pointed out, however, no statements on strength ei Such composite material are made.

Ferner ist ein naturfaserverstärkter, tiefziehfähiger Kunststoff bekannt (DE 297 14 267 U1), wobei im Kunststoff material Mikroschaum enthalten ist. Der Mikroschaum soll die Ausbildung von Falten während des Tiefziehens verhin dern und somit als Puffer für die Formgebung dienen, indem die im Mikroschaum eingeschlossene Luft während des Tief ziehens verdrängt wird, so daß eine Materialanhäufung in folge der Ausbildung von Ziehfalten verhindert wird. Als Naturfasern sollen vornehmlich Kokos-, Hanf-, Sisal- oder Kenaffasern eingesetzt werden. Furthermore, a natural fiber reinforced, deep-drawable Plastic known (DE 297 14 267 U1), wherein in the plastic Micro foam material is included. The micro foam should prevent the formation of wrinkles during deep drawing and thus serve as a buffer for the design by the air trapped in the microfoam during the low is displaced, so that a material accumulation in follow the formation of creases is prevented. As Natural fibers should primarily be coconut, hemp, sisal or Kenaf fibers are used.

Aus der EP 0 319 589 B1 ist ein thermoplastischer Verbund werkstoff zum Einsatz in dünnen, extrudierten Folien be kannt, wobei der Werkstoff aus einer thermoplastischen Ma trix mit gleichmäßig in die Matrix eingemischten Hanffasern sowie Partikeln, Mehl oder Schuppen aus ligninhaltigen Füllstoffen besteht. Die aus dem Verbundwerkstoff durch Ex trudieren hergestellten Folien weisen insbesondere gleich bleibende physikalische Eigenschaften auf und sind somit als Massenprodukte mit nur geringem Ausschuß produzierbar.EP 0 319 589 B1 is a thermoplastic composite material for use in thin, extruded foils knows, the material from a thermoplastic Ma trix with hemp fibers evenly mixed into the matrix as well as particles, flour or flakes from lignin-containing Fillers. The from the composite material by Ex foils produced in particular have the same permanent physical properties and are therefore producible as mass products with only a small scrap.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit natür lichen Fasern verstärkten Werkstoff der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß er als gleichwertiger Ersatz für mit synthetischen Fasern verstärkte Kunststoffe dienen kann.The invention has for its object one with natural Lichen fibers reinforced material of the aforementioned Kind of improving in that he is considered equivalent Replacement for plastics reinforced with synthetic fibers can serve.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem faserverstärk ten Werkstoff der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß er als natürliche Verstärkungsfasern Hanffasern ent hält. Der Vorteil der Verwendung der Hanffaser liegt in deren im Vergleich mit allen anderen Naturfasern wesentlich höheren Zug- und Bruchfestigkeit, so daß ein mit Hanffasern verstärkter Werkstoff annähernd die gleichen hochwertigen Werkstoffeigenschaften aufweist wie der entsprechend mit synthetischen Verstärkungsfasern verstärkte Werkstoff. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringeren Verschleißwirkung der Hanffasern im Vergleich mit synthetischen Fasern auf entsprechende Verarbeitungs maschinen, wie Extruder, Mischer oder Spritzgießmaschi nen. Weiterhin kann die wasserabweisende Wirkung der Hanffaser insbesondere bei Verwendung in Verbindung mit natürlichen Polymeren von großem Nutzen sein, da viele natürliche Polymere, wie Casein, Cellulosenitrate, -ace tate, -ester oder -ether hygroskopisch sind, was mit einer mangelnden Formstabilität einhergeht. Die Hanffaser zeichnet sich ferner gegenüber anderen Naturfasern da durch aus, daß sie in großen Mengen zur Verfügung ge stellt werden kann, da sich Hanf als Einjahrespflanze durch ein außerordentlich schnelles Wachstum auszeichnet.According to the invention, this task is reinforced with a fiber solved th material of the type mentioned above, that he ent as hemp fibers as natural reinforcing fibers holds. The advantage of using the hemp fiber lies in their in comparison with all other natural fibers much higher tensile and breaking strength, so that a material reinforced with hemp fibers almost the has the same high-quality material properties as correspondingly with synthetic reinforcement fibers reinforced material. Another advantage is that lower wear effect of the hemp fibers in comparison with synthetic fibers on appropriate processing machines, such as extruders, mixers or injection molding machines nen. Furthermore, the water-repellent effect of the Hemp fiber especially when used in conjunction with natural polymers can be of great use since many natural polymers, such as casein, cellulose nitrates, ace tate, ester or ether are hygroscopic, what with a lack of dimensional stability. The hemp fiber is also distinguished from other natural fibers from that they are available in large quantities can be put, since hemp turns out to be an annual plant characterized by an extraordinarily rapid growth.

Der faserverstärkte Werkstoff kann beispielsweise aus nur einem Polymer, einem Polymer-Blend aus synthetischen und/oder natürlichen Polymeren oder aus einem mehrschich tigen Polymerverbund aus synthetischen und/oder natürli chen Polymeren bestehen. Besteht der Werkstoff bei spielsweise ausschließlich oder überwiegend aus natürli chen Polymeren, so ist der mit Hanffasern verstärkte Werkstoff leicht biologisch abbaubar und weist bei Verbrennung eine ökologisch neutrale CO₂-Bilanz auf, was bedeutet, daß bei Verbrennung des Werkstoffs der Atmosphäre nicht mehr CO₂ zugeführt wird, als ihr beim Wachstum der Rohstoffe sowohl für die Polymere als auch für die Fasern entzogen wurde. Besteht der Werk stoff beispielsweise aus einem mehrschichtigen Polymer verbund, so wirken die Hanffasern als zusätzliche Haft vermittler an der Übergangszone der Polymere. Ein derar tiger Polymerverbund kann beispielsweise auch lediglich eine als Träger dienende faserverstärkte Polymerkomponen te aufweisen, auf die eine weitere Polymerkomponente z. B. in Form einer Beschichtung aufgebracht ist.The fiber-reinforced material can consist, for example, of only one polymer, a polymer blend of synthetic and / or natural polymers, or of a multi-layer polymer composite of synthetic and / or natural polymers. If, for example, the material consists exclusively or predominantly of natural polymers, the material reinforced with hemp fibers is readily biodegradable and has an ecologically neutral CO ₂ balance when burned, which means that when the material is burned, the atmosphere no longer produces CO ₂ is supplied when it was deprived of both the polymers and the fibers as the raw materials grew. If the material consists of a multi-layer polymer composite, for example, the hemp fibers act as an additional adhesion promoter at the transition zone of the polymers. Such a polymer composite can have, for example, only a fiber-reinforced polymer component serving as a carrier, onto which a further polymer component, e.g. B. is applied in the form of a coating.

Eine vorteilhafte Ausführung sieht einen Werkstoff vor, der als natürliches Polymer Lignin, insbesondere Alkali- Lignin enthält. Lignin ist ein natürliches Polymer und zeichnet sich im Vergleich zu anderen Naturpolymeren durch merklich bessere Werkstoffeigenschaften, wie eine vergleichsweise hohe Festigkeit, Steifigkeit, Schlagzä higkeit, sowie UV-Beständigkeit aus. Weiterhin ist Lignin ein geeignetes Dämmittel zur Wärme- und Schallisolierung. Lignin ist ein hochmolekulares polyphenolisches Makromo lekül, das in verholzenden Pflanzen die Räume zwischen den Zellmembranen ausfüllt und zu Holz werden läßt. Es fällt in großen Mengen als Nebenprodukt bei der Zell stoffgewinnung an und ist somit in großen Mengen verfüg bar. Hierbei entstehen beim Aufschluß des Holzes Lignin sulfonsäuren als Bestandteil der Sulfitablaugen, in denen die Ligninsulfonsäuren als Phenolate ("Alkali-Lignin") gelöst sind. Durch Behandlung mit Schwefelsäure und Kohlendioxid kann die Ligninsäure ausgefällt werden.An advantageous embodiment provides a material which as a natural polymer lignin, especially alkali Contains lignin. Lignin is a natural polymer and stands out in comparison to other natural polymers through noticeably better material properties, such as a comparatively high strength, rigidity, impact resistance ability, as well as UV resistance. Furthermore, lignin a suitable insulation for heat and sound insulation. Lignin is a high molecular weight polyphenolic macromo lekül that the spaces between in woody plants fills the cell membranes and turns them into wood. It falls in large quantities as a by-product of the cell production and is therefore available in large quantities bar. Lignin is produced when the wood is broken down sulfonic acids as part of the sulfite waste liquor in which the lignosulfonic acids as phenates ("alkali lignin") are solved. By treatment with sulfuric acid and Lignic acid can precipitate out of carbon dioxide.

Das mit Hanffasern verstärkte Lignin kann allein, in einem Blend mit weiteren natürlichen oder auch syntheti schen Polymeren oder in Form eines mehrschichtigen Poly merverbunds zur Herstellung unterschiedlichster Formtei le, wie beispielsweise Fensterrahmenprofile, Türen, Möbel oder Gehäuse dienen. Hierbei verleiht der Ligninanteil dem Werkstoff einen für viele Verwendungszwecke erwünsch ten holzähnlichen Charakter. The lignin reinforced with hemp fibers can be used alone, in a blend with other natural or synthetic polymers or in the form of a multilayer poly merverbunds for the production of various molded parts le, such as window frame profiles, doors, furniture or housing. Here the lignin content gives the material is desirable for many purposes wood-like character.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß beispielsweise die Hanffasern auf einen das Polymer plastifizierenden Extruder aufgegeben wird. Um eine homogene Mischung des Polymers und der Fasern zu gewährleisten, sollten die losen Fasern in einem Bereich der Extruderschnecke aufge geben werden, in dem das Polymer bereits geschmolzen ist. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Kunststoffes kann folglich auf jeder herkömmlichen, zur Faserverstärkung mit synthetischen Fasern geeigneten Vorrichtung erfolgen. The production of a material according to the invention can done in a simple manner that, for example the hemp fibers on a plasticizing plastic Extruder is abandoned. To achieve a homogeneous mix of Polymers and fibers should ensure that loose fibers in an area of the extruder screw in which the polymer has already melted. The plastic according to the invention can be produced consequently on any conventional fiber reinforcement with suitable device made of synthetic fibers.

Es wird ein Polymergemisch aus 30% Celluloseacetat und 30% Lignin (Alkali-Lignin) in einem Extruder aufplastifiziert und anschließend 40% Hanffasern in die plastifizierte Masse zudosiert. Das entstehende Compound wird bei Temperaturen zwischen 120°C und 170°C und einem Extrusionsdruck von ca. 200 bar ausgeformt und anschließend granuliert. In einem Vergleichsversuch werden gleiche Anteile des Polymergemischs mit 40% Holzfasern versetzt und bei gleichen Parametern ex trudiert. Die Bruchfestigkeit und Zugfestigkeit des mit Hanffasern verstärkten Granulats liegt um 30 bis 50% höher als die des Granulats mit Holzfasern.A polymer mixture of 30% cellulose acetate and 30% Lignin (alkali lignin) plasticized in an extruder and then 40% hemp fibers in the plasticized mass added. The resulting compound is at temperatures between 120 ° C and 170 ° C and an extrusion pressure of approx. Molded 200 bar and then granulated. In one Comparative experiment are equal proportions of the polymer mixture mixed with 40% wood fibers and with the same parameters ex trudged. The breaking strength and tensile strength of the with Hemp fiber reinforced granules are 30 to 50% higher than that of wood fiber granules.

Mit variierendem Faseranteil wurde für Hanffaser-verstärkte Granulate eine Bruchfestigkeit zwischen 80 bis 40 N/mm², mit Holzfasern jedoch nur von 12 bis 20 N/mm² gemessen.With varying fiber content reinforced hemp fiber-granules was a fracture strength between 80 to 40 N / mm ² for, but measured with wood fibers only increased from 12 to 20 N / mm ^2.

Claims

1. Fiber-reinforced material consisting of at least one thermoplastic or thermo-elastic, synthetic and / or natural polymer and natural reinforcing fibers, characterized in that it contains hemp fibers as natural reinforcing fibers.

2. Material according to claim 1, characterized in that it consists of only one polymer.

3. Material according to claim 1, characterized in that he's made of a polymer blend of synthetic and / or natural polymers.

4. Material according to claim 1, characterized in that it is made of a two or multi-layer polymer composite of synthetic and / or natural Polymers.

5. Material according to one of claims 1 to 4, characterized characterized as a natural polymer Contains lignin, especially alkali lignin.